PLC在繼電器自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

曹亞紅

（呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 呂梁 032300）

電氣設(shè)備對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵性的作用，作為電力系統(tǒng)的運(yùn)輸載體，提升電氣設(shè)備的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，才能實(shí)現(xiàn)電力的持續(xù)供給。常見的電力設(shè)備包括變壓器、繼電器、發(fā)電機(jī)、電力線路等，這些設(shè)備的運(yùn)行情況是否良好，決定著電力系統(tǒng)是否高效穩(wěn)定[1]。我國(guó)在20世紀(jì)80年代逐步引入DCS，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的自動(dòng)化控制。20世紀(jì)90年代，隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，DCS開始廣泛應(yīng)用到輸配電力設(shè)備控制領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步，PLC技術(shù)被逐漸應(yīng)用在電氣設(shè)備領(lǐng)域，并開始動(dòng)搖DCS的地位。PLC是一種可以編輯的控制器，有著微小、靈活的特點(diǎn)，是系統(tǒng)的大腦和核心[2]。PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備的智能化控制。通過對(duì)比PLC和DCS發(fā)現(xiàn)，PLC技術(shù)的兼容性更好，可以保證繼電器控制的穩(wěn)定性，逐步成為電氣設(shè)備的主流控制技術(shù)。

1 PLC技術(shù)概述

PLC又稱可編程邏輯控制器，屬于一種具備編程功能的存儲(chǔ)器，可以在其內(nèi)部進(jìn)行程序的存儲(chǔ)，按照一定的邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種指令。例如，通過數(shù)字輸入/輸出的方式，進(jìn)行設(shè)備的控制。PLC類似于一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)，有著類似的硬件結(jié)構(gòu)，由CPU、顯示面板、I/O板、內(nèi)存和電源等構(gòu)件組成。

PLC的優(yōu)勢(shì)十分明顯。首先，方便快捷。通過簡(jiǎn)單的編程，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。PLC有著簡(jiǎn)明的編程語言，可在線進(jìn)行程序的編輯和修改，不用更換硬件。其次，功能全面，性價(jià)比高。PLC麻雀雖小，但功能非常全面，內(nèi)部有很多的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化的指令控制，借助互聯(lián)網(wǎng)，還可以實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制。最后，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單且有著不錯(cuò)的兼容性。PLC的程序控制功能可以代替很多的部件，例如計(jì)數(shù)器、時(shí)間繼電器等，大幅度減少安裝的工作量[3]。PLC的兼容性可以更好地應(yīng)用到很多控制領(lǐng)域。

2 PLC技術(shù)在繼電器自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)順序控制

PLC技術(shù)通過連接繼電器控制元素實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的自動(dòng)化控制，PLC構(gòu)成圖如圖1所示。借助PLC，將繼電器控制端連接，通過對(duì)PLC的編程，輸入控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的自動(dòng)化控制。

圖1 PLC構(gòu)成圖

2.2 開關(guān)量控制

為了提升繼電器的控制效率，降低控制失敗的概率，需要優(yōu)化繼電器的控制操作，提升自動(dòng)化控制的質(zhì)量，可以通過PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量的控制，例如，PLC開關(guān)值控制技術(shù)。借助PLC開關(guān)值控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)集中控制，提升控制系統(tǒng)的效率。

2.3 閉環(huán)系統(tǒng)控制

以往關(guān)于自動(dòng)控制，主要采取泵馬達(dá)的控制方式。實(shí)際操作過程中，需要借助泵的操作，進(jìn)行控制狀態(tài)和模式的選擇[4]。PLC技術(shù)可以在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行控制，一方面保證系統(tǒng)控制的安全性，另一方面也提升了系統(tǒng)控制的可靠性。

3 繼電器應(yīng)用PLC技術(shù)分析

為了更好地驗(yàn)證PLC技術(shù)在繼電器控制中的應(yīng)用效果，將LRD熱繼電器作為研究的對(duì)象，分析PLC的系統(tǒng)控制，并通過對(duì)比的方式，對(duì)比DCSLRD熱繼電器自動(dòng)化控制效果。測(cè)試過程采取MATLAB/SIMULINK的仿真分析方式。

3.1 LRD熱繼電器

實(shí)驗(yàn)過程中，選擇一款市場(chǎng)在售的LRD熱繼電器，如選擇繼電器額定電壓為690 V，額定絕緣電壓為1 000 V，脫扣等級(jí)10A，用螺釘夾連接端子，設(shè)置開始、停止、復(fù)位按鈕，“TH”防護(hù)處理，保證其可以應(yīng)用到濕熱環(huán)境，正常工作環(huán)境溫度為-20 ℃~55℃，補(bǔ)償環(huán)境溫度為-20 ℃~70 ℃。

3.2 PLC選型

由于PLC存在很多的類型，選擇合適的類型非常重要，考慮到兼容性的要求，合適的PLC才能具備良好的兼容性，才能保證繼電器設(shè)備的控制效率和質(zhì)量[5]。關(guān)于PLC選型工作，需要關(guān)注的內(nèi)容包括：按照繼電器設(shè)備控制的要求，進(jìn)行PLC型號(hào)和廠家的選擇；PLC的I/O點(diǎn)數(shù)量需要等于或者大于控制設(shè)備所需的數(shù)量；結(jié)合用戶程序、系統(tǒng)程序、邏輯變量等信息大小，保證PLC存儲(chǔ)器大于這些信息大小；結(jié)合設(shè)備連接的要求，選擇合適的輸入輸出模塊；根據(jù)設(shè)備的不同類型，考慮控制系統(tǒng)的兼容性；根據(jù)資金預(yù)算情況，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，選擇合適的PLC。按照上面提到的繼電器型號(hào)，選擇MX-100PLC，尺寸為128 mm×107 mm×40 mm，額定電壓DC18 V~36 V，功耗5 V/0.55 A，絕緣阻抗5 MΩ以上（DC500 V），所有外部端子與地之間抗干擾性，峰值為2 000 Vp-p，頻率為5 kHz，數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為12，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)為12，模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為4，模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為2。

3.3 仿真控制模型

基于PLC技術(shù)，針對(duì)繼電器自動(dòng)化控制，采取模糊PID控制的方式，仿真控制模型如圖2所示。

圖2 仿真控制模型

3.4 PLC兼容性分析

傳統(tǒng)電氣自動(dòng)化控制，主要采取DCS的控制方式，但是這種控制方式由于兼容性問題，無法實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的兼容，因此，增加了電氣設(shè)備的控制難度[6]。使用PLC對(duì)繼電器進(jìn)行自動(dòng)化控制，由于PLC的兼容性好，可以取得更好的控制效果。針對(duì)PLC系統(tǒng)做兼容性測(cè)試，通過兼容性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其在具備常規(guī)裝機(jī)必備軟件Windows 2000 、Windows XP、WIN7、WIN10、服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器時(shí)都能正常運(yùn)行，而且瀏覽器INetscape、Firefox、Maxthon也能正常運(yùn)行。由此可以得出，即便是在不同系統(tǒng)之中，PLC也有著不錯(cuò)的兼容性，沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)DCS控制無法兼容的狀況，可以表明PLC系統(tǒng)應(yīng)用的可能性。

3.5 可靠性測(cè)試

不管是什么系統(tǒng)，PLC均有著不錯(cuò)的系統(tǒng)兼容性，但是應(yīng)用PLC是否可以保證自動(dòng)化控制的效率和質(zhì)量，能否實(shí)現(xiàn)高效控制，需要對(duì)其采取可靠性測(cè)試。將其與DCS對(duì)比，經(jīng)過5次測(cè)試，取平均值，其中PLC的響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間以及穩(wěn)定性誤差分別為0.322 s、0.132 s、0.000 5。而DCS也經(jīng)過5次測(cè)試，取平均值，其響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間以及穩(wěn)定性誤差分別為0.494 s、0.222 s、0.001 4，由此可以看出PLC可靠性要更好。

1）響應(yīng)速度測(cè)試。通過對(duì)比測(cè)試的方式，分別測(cè)試DCS控制和PLC控制下繼電器的響應(yīng)速度，同樣的電流環(huán)境下，選擇690 V直流電壓分別進(jìn)行25組測(cè)試，對(duì)比不同控制模式下繼電器的響應(yīng)時(shí)間，以此確定不同控制模式下的控制響應(yīng)速度[7]。通過響應(yīng)速度測(cè)試對(duì)比得出，DCS控制模式下和PLC控制模式下，繼電器有著不同的控制響應(yīng)時(shí)間。對(duì)比兩種數(shù)據(jù)，不難看出，DCS控制模式下，繼電器響應(yīng)時(shí)間保持在0.46 s~0.52 s；PLC控制模式下，響應(yīng)時(shí)間保持在0.31 s~0.36 s。從響應(yīng)時(shí)間來看，PLC控制模式更加具有優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)速度更快。

2）調(diào)節(jié)速度測(cè)試。對(duì)比控制響應(yīng)速度之后，對(duì)比兩種模式下的調(diào)節(jié)速度[8]。相同的初始值之下，每0.2 s作為一個(gè)采樣周期，通過不同的控制方式，對(duì)繼電器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而獲得調(diào)節(jié)速度數(shù)據(jù)。通過調(diào)節(jié)速度測(cè)試對(duì)比可以得出不同模式下的不同調(diào)節(jié)速度。采取PLC控制模式，調(diào)節(jié)時(shí)間最高不超過0.15 s，采取DCS控制模式，調(diào)節(jié)時(shí)間最低值為0.21 s，可以看出兩者的差距。對(duì)比調(diào)節(jié)時(shí)間數(shù)據(jù)，可以得到，PLC控制模式調(diào)節(jié)速度更快，可以在短時(shí)間內(nèi)完成故障處理。

3）穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)試。穩(wěn)態(tài)誤差無需考慮時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)誤差的影響，保證兼顧設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)的前提之下，盡可能地縮小某個(gè)限制值[9]。例如，選擇相同的初始值，分別采取DCS控制和PLC控制，分析兩者的穩(wěn)態(tài)誤差，經(jīng)過測(cè)試，對(duì)比兩者的誤差數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)PLC控制模式下，穩(wěn)態(tài)誤差更加接近0，DCS控制模式下則有更高的誤差。說明PLC控制模式的誤差更小。綜上所述，在PLC控制繼電器模式下，無論是響應(yīng)速度還是調(diào)節(jié)速度，均有著明顯的優(yōu)勢(shì)，且該模式下，穩(wěn)態(tài)誤差比較小，低于0.001，說明該模式的穩(wěn)定性和可靠性較高。

4）精度測(cè)試。完成對(duì)可靠性的分析之后，需要進(jìn)一步對(duì)比分析兩種模式下的控制精度，需要通過測(cè)試的方式，證明PLC控制模式相較于DCS控制模式，有著更高的控制精度[10]。通過測(cè)試的方式，首先，對(duì)繼電器進(jìn)行信號(hào)的劃分，可以將其分為1 000個(gè)數(shù)據(jù)段，明確非零點(diǎn)特征值、相應(yīng)特征量等數(shù)據(jù)指標(biāo)，如果電氣設(shè)備出現(xiàn)故障，使用兩種控制模式，對(duì)故障進(jìn)行診斷。通過對(duì)比，可以看出PLC控制模式有著更高的精度。

4 結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)的電氣自動(dòng)化控制模式為DCS控制，存在著兼容性差的問題。隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，PLC技術(shù)通過模糊PID算法的方式，能實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器設(shè)備的自動(dòng)化控制，有著不錯(cuò)的控制效果。筆者通過測(cè)試對(duì)比的方式，分別對(duì)比PLC控制模式和DCS控制模式下，繼電器自動(dòng)化控制的實(shí)際情況。PLC有著很好的兼容性，可以兼容不同的系統(tǒng)，響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)速度快、穩(wěn)態(tài)誤差接近0且精度超高。文中的數(shù)據(jù)對(duì)比和測(cè)試，建立在理想模式之上，遇到復(fù)雜的實(shí)際情況，可能存在一些差異。因此，需要對(duì)測(cè)試模式加以優(yōu)化，保證測(cè)試效果的真實(shí)性。